Сили поверхневого натягу

Краплина роси на листку має майже сферичну форму

Монета, що лежить на воді в силу поверхневого натягу

Поверхневий натяг має подвійний фізичний зміст - енергетичний (термодинамічний) і силовий (механічний).

Енергетичне (термодинамічне) визначення: поверхневий натяг - це питома робота збільшення поверхні при її розтягуванні за умови сталості температури.

Силове (механічне) визначення: поверхневий натяг - це сила, що діє на одиницю довжини лінії, яка обмежує поверхню рідини.

Сила поверхневого натягу спрямована по дотичній до поверхні рідини, перпендикулярно до ділянки контура, на який вона діє і пропорційна довжині цієї ділянки. Коефіцієнт пропорційності γ - сила, яка припадає на одиницю довжини контуру - називається коефіцієнтом поверхневого натягу. Він вимірюється в (ньютонах на метр) Н/м.

Але більш правильно дати визначення поверхневого натягу, як енергії (Дж) на розрив одиниці поверхні (м ).

Для зменшення сил поверхневого натягу використовуються поверхнево-активні речовини.

Тиск під викривленою поверхнею

Поверхневий натяг призводить до появи додаткового тиску під викривленою поверхнею рідини. Цей тиск визначається рівнянням Юнга-Лапласа

[math]\Delta P = \sigma \left(\frac{1}{R_x} + \frac{1}{R_y} \right)[/math],

де [math]R_x[/math] і [math]R_y[/math] — два локальні радіуси кривизни поверхні, [math]\sigma[/math] — коефіцієнт поверхневого натягу.

Термодинаміка

Робота, необхідна для збільшення поверхні рідини:

[math]\ dA \ = \ \sigma dS[/math]

Зміна вільної енергії дорівнює роботі, виконаній над тілом при ізотермічному процесі. Звідти при постійних температурі та тиску, маємо

[math]\sigma = \left( \frac{\partial F}{\partial S} \right)_{T,P}[/math]

де [math]\ F[/math] є вільною енергію, а [math]\ S[/math] є площею поверхні.

Вільна енергія визначається з рівняння [math]\ F \ = \ H \ - \ TE[/math], де [math]\ H[/math] це — ентальпія та [math]\ E[/math] це — ентропія. З цього ми можемо отримати значення частинної похідної ентропії по температурі:

[math]\left( \frac{\partial S}{\partial T} \right)_{S,P}=-E^{S}[/math]

Бачимо, що поверхнева енергія (на відміну від вільної поверхневої енергії) залежить не лише від коефіцієнту поверхневого натягу, а також від його похідної за температурою. Це видно у рівнянні:

[math]H^S\ =\ \sigma - T \left( \frac {\partial \sigma}{\partial T} \right)_P[/math]

Таблиця сили поверхневого натягу для різних рідин

Дані наведені у дин/см = 10^-3 Н/м (при температурі 20 °C)

• Азотна кислота 70% 59,4
• Анілін 42,9
• Ацетон 23,7
• Бензол 29,0
• Вода 72,86
• Гліцерин 59,4
• Нафта 26
• Ртуть 465
• Сірчана кислота 85% 57,4
• Етиловий спирт 22,8
• Оцтова кислота 27,8
• Етиловий ефір 16,9

Дивіться також

• Змочуваність
• Сили притягання і відштовхування

Література

• Світлий Ю. Г., Білецький В. С.. Гідравлічний транспорт (монографія). — Донецьк: Східний видавничий дім, Донецьке відділення НТШ, «Редакція гірничої енциклопедії», 2009. — 436 с. ISBN 978-966-317-038-1

Посилання

• Методи вимірювання поверхневого натягу

• Відео про фізичну природу поверхневого натягу